单体分层应用架构剖析

导语

VPN是一种通过公网连接两个或多个私网站点的专用网络，使得这些站点仿佛是通过专线连接在一起。IPSec是一套协议框架，用于保证数据传输的私密性，完整性，真实性。但是VPN网络经常会带来一些连通性上的问题，通常与MTU设置的不合理有关。本文通过一个实际案例，来具体分析解决这个问题。

作者：陆信宇

一、环境拓扑

1.链路中，各个设备接口的MTU为1450

MTU是数据链路层的概念，限制的是数据链路层payload的大小，即上层协议大小(包括上层协议头)，例如设置主机接口mtu为1450。则在一个TCP报文中，1450 = 20字节IP头 + 20字节TCP头 + 1410TCP数据。

2.RDS为京东智联云云数据库实例，实例中创建有400个数据库。

3.SH_MariaDB_VM是一台上海地域的云主机，部署了mariadb服务，数据和RDS实例相同。

4.BJ_VPNGW和SH_VPNGW分别是北京VPC和上海VPC的vpn网关

5.bj_client所在子网和RDS所在子网通信时，下一跳为各自所在地域的vpn网关

二、现象描述

1. bj_client通过BJ_VPNGW连接RDS。执行show databases时，一直卡住无返回。
2. bj_client通过BJ_VPNGW连接SH_MariaDB_VM。执行show databases正常，没有卡住的现象。

三、排查过程

1. bj_client可以ping通RDS，telnet RDS 3306端口正常，使用mysql客户端也可以正常连接。
2. 在BJ_VPNGW和SH_VPNGW上抓包分析。发现RDS回包正常到达SH_VPNGW，但是没有到达BJ_VPNGW。数据包在SH_VPNGW被丢弃。怀疑是MTU问题，导致丢包。
3. 继续抓包分析RDS和SH_MariaDB_VM回包的区别。发现SH_VPNGW都给RDS和SH_MariaDB_VM回了一个IMCP Error报文，报文中指定了MTU next hop: 1374 。但是RDS的重传报文中，ip层的Total Length一直是1450。SH_MariaDB_VM在首次被丢包后，重传报文的Total Length为1374。判断ICMP Error报文没有被正常转发给RDS服务端。后核实RDS前面还有一层LB，该LB没有转发ICMP Error。
4. 调整bj_client接口mtu为1374之后，问题解决。

四、问题原因

由于bj_client、RDS、SH_MariaDB_VM的mtu都是1450，所以bj_client与RDS、SH_MariaDB_VM进行TCP三次握手时，协商的MSS大小为1410(MTU - 20B ip头 - 20B tcp头)。即后续发送的TCP报文的数据部分，{BANNED}最佳大不能超过1410字节，且IP头中DF置位，不允许报文分片。

bj_client连接RDS执行show databases命令。由于请求包较小，所以请求报文可以正常通过vpn网关到达RDS。RDS收到报文后开始响应。由于RDS中数据库很多，所以响应报文会拆分成多个进行发送，每个报文的TCP数据部分是1410字节。报文到达VPN网关后，VPN网关在原数据包基础上再次封装ESP、UDP、IP，封装之后的报文大小超过了VPN网关出接口的mtu值，又因为数据包不允许分片，导致VPN网关丢弃报文。VPN网关丢弃报文之后，会向RDS发送一个ICMP Error，指明mtu of next hop: 1374 ，告知RDS以1374为{BANNED}最佳大mtu发包。但是因为RDS实例前面还有一层LB，且这个LB不会转发ICMP Error报文，导致ICMP Error报文并没有到达真正的RDS服务端，{BANNED}最佳终导致RDS没有调整数据包大小就直接重传，数据包再次被vpn网关丢弃，进入死循环。

五、解决方案

根据以上分析，有三种解决方法。

0. 调小服务端或者客户端mtu，让两端在建立三次握手协商mss时，以更小的mss收发数据。可以设置为ping探测的路径MTU值。
1. 在VPN网关配置iptables -t mangle -A FORWARD -o eth0 -p tcp --tcp-flags SYN,RST SYN -j TCPMSS --clamp-mss-to-pmtu 。两端建立三次握手的报文到达vpn网关时，修改MSS值，使MSS自适应PMTU(Path MTU)
2. 保证icmp error报文可达

六、其他

1 什么是MTU

MTU是数据链路层的概念，限制的是数据链路层payload的大小，即上层协议大小(包括上层协议头)

例如设置主机接口mtu为1450。则在一个TCP报文中，1450 = 20字节IP头 + 20字节TCP头 + 1410TCP数据。

2 什么是MSS

MSS{BANNED}最佳大报文段，是TCP中一个选项，用于在TCP连接建立时，收发双方协商通信时每一个报文段所能承载的{BANNED}最佳大数据长度(注意不包含TCP头部大小)

3 如何探测路径MTU值

Linux主机中: 执行ping x.x.x.x -s 1422 -M do ，x.x.x.x是目标地址，-s指明icmp报文的数据部分大小(不包含icmp 8字节头部)。-M do 表示不允许分片。多试几次，找到临界点。以mtu为1450为例，1450 = 20字节IP头 + 8字节icmp头 + 1422数据，则-s指定为1422可以正常通过

Windows主机中: 执行ping x.x.x.x -l 1472 -f ，x.x.x.x是目标地址，-l指明icmp报文的数据部分大小(不包含icmp 8字节头部)。-f表示不允许分片。

4 如何查看MTU

Linux: ifconfig

windows: netsh interface ipv4 show subinterfaces

5 如何设置MTU

Linux: ifconfig eth0 mtu xxx

windows: netsh interface ipv4 set subinterface "WLAN" mtu=1450 store=persistent